生物擾動(dòng)與成巖作用耦合對(duì)泥質(zhì)碳酸鹽巖改造機(jī)理
——以中東美索不達(dá)米亞盆地白堊系為例

葉禹 ，李峰峰，宋新民，郭睿

（1. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2. 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206）

0 引言

泥質(zhì)碳酸鹽巖沉積水體能量較低，包括深水環(huán)境和局限環(huán)境，巖石類型泛指泥灰?guī)r、含粒泥灰?guī)r、粒泥灰?guī)r和泥?；?guī)r，填隙物為灰泥或泥晶。中東地區(qū)油氣多產(chǎn)自白堊系高能的礁灘相，泥質(zhì)碳酸鹽巖儲(chǔ)集層受到的關(guān)注較少，油田開(kāi)發(fā)中通常將其作為隔夾層或差儲(chǔ)集層[1-4]。然而，巨厚層泥質(zhì)碳酸鹽巖中蘊(yùn)含規(guī)?？捎^的儲(chǔ)量，可作為油田開(kāi)發(fā)上產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)的重要支撐資源，在伊拉克東南部已有油田開(kāi)發(fā)泥質(zhì)碳酸鹽巖儲(chǔ)集層。中東白堊紀(jì)處于溫暖濕潤(rùn)的熱帶氣候，生物群落繁多，沉積地層中生物擾動(dòng)現(xiàn)象普遍。生物擾動(dòng)指生物對(duì)其周圍沉積顆粒所進(jìn)行攪動(dòng)、混合和破壞形成的沉積構(gòu)造，包括可以鑒定和無(wú)法鑒定的潛穴、鉆孔、足跡和遺跡等[5]。早期研究對(duì)生物擾動(dòng)取得了眾多突破性認(rèn)識(shí)：生物擾動(dòng)發(fā)育環(huán)境寬泛，風(fēng)暴沉積中亦可見(jiàn)[6-9]，但在低能環(huán)境中最為發(fā)育；生物潛穴和基底具有雙重物性，兩者滲透級(jí)差最大超兩個(gè)數(shù)量級(jí)[10]，通常情況下，生物擾動(dòng)與儲(chǔ)集層物性呈正相關(guān)，生物擾動(dòng)越強(qiáng)烈，儲(chǔ)集層物性越好[11-12]；對(duì)儲(chǔ)集層物性的影響取決于生物作用方式和潛穴充填物[13-14]。此外，基底與潛穴的滲透率級(jí)差、潛穴連通程度和密度等也影響儲(chǔ)集層物性[15]；溶蝕作用可顯著提高潛穴滲透率[14]，白云石化形成大量的晶間孔，滲透率可提高2～4個(gè)數(shù)量級(jí)[16]；連通的潛穴可形成高滲透條帶，注水開(kāi)發(fā)中造成無(wú)效水循環(huán)[15]。然而，針對(duì)生物擾動(dòng)作用，仍存在以下問(wèn)題認(rèn)識(shí)不清：①生物對(duì)泥質(zhì)碳酸鹽巖的改造方式；②生物擾動(dòng)與準(zhǔn)同生溶蝕耦合作用機(jī)理；③潛穴中白云石化作用模式及演化；④生物擾動(dòng)對(duì)泥質(zhì)碳酸鹽巖物性的主控因素。本文以伊拉克東南部A油田、H油田、M油田、W油田和R油田白堊系為例，探討生物擾動(dòng)與成巖作用耦合對(duì)泥質(zhì)碳酸鹽巖的改造機(jī)制。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)位于美索不達(dá)米亞盆地構(gòu)造前緣帶，是中東地區(qū)重要的產(chǎn)油氣區(qū)（見(jiàn)圖1）。研究區(qū)白堊系巖心上生物擾動(dòng)現(xiàn)象普遍發(fā)育，尤其在中白堊統(tǒng)Mishrif組和上白堊統(tǒng) Khasib組。Mishrif組為淺水碳酸鹽臺(tái)地環(huán)境沉積[17]，早期以開(kāi)闊淺海為主，隨著全球海平面的下降，逐漸演化為臺(tái)地邊緣，沉積的厚層厚殼蛤礁灘體阻礙了水體的正常循環(huán)，在Mishrif組沉積晚期，伊拉克東南部以局限海環(huán)境為主[18]。Khasib組沉積期整體處于全球海平面上升時(shí)期，巖石泥質(zhì)含量較高。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置和美索不達(dá)米亞盆地白堊系地層柱狀圖

本文研究基于5個(gè)油田15口典型取心井資料，巖心累計(jì)長(zhǎng)度2 403.39 m，取樣頻率1～8個(gè)/m，包含了1 085塊鑄體薄片和4 848塊物性分析樣品。基于遺跡學(xué)、巖石學(xué)、沉積學(xué)和層序地層學(xué)地質(zhì)理論，通過(guò)巖心與薄片相結(jié)合，準(zhǔn)確識(shí)別生物擾動(dòng)構(gòu)造，對(duì)比擾動(dòng)區(qū)與非擾動(dòng)區(qū)巖石物理特征，恢復(fù)潛穴中成巖演化，探究生物擾動(dòng)對(duì)巖石物性的改造機(jī)制。

2 生物擾動(dòng)特征

2.1 潛穴特征及強(qiáng)度

中東地區(qū) 白 堊系生物擾動(dòng)主要發(fā)育在 潟 湖、灘間、中緩坡、外緩坡和深水盆地等。生物通常建造規(guī)律性的分枝狀或圓柱形潛穴，垂向上與沉積界面相連，可呈密集的離散狀、間隔很寬的離散狀及強(qiáng)烈擾動(dòng)的厚層狀等[19-20]，未被生物擾動(dòng)、保留了原始沉積結(jié)構(gòu)的巖層稱為基底。中東地區(qū)白堊系潛穴產(chǎn)狀多樣，巖心上，基底呈灰白色或黃白色致密狀，而潛穴通常呈深褐色、棕色或深灰色（見(jiàn)圖 2）。根據(jù)潛穴產(chǎn)狀分為斑點(diǎn)狀、斑塊狀、粗枝狀、脈絡(luò)狀、迷宮狀和厚層狀。斑點(diǎn)狀和斑塊狀潛穴孤立分布，與基底的界限清晰；粗枝狀和脈絡(luò)狀潛穴呈點(diǎn)狀接觸，具有一定連通性；迷宮狀潛穴的連通程度較高，與基底的界限不明顯；厚層狀潛穴輪廓模糊，基底特征被覆蓋，厚層狀擾動(dòng)主要是潛穴發(fā)生強(qiáng)烈溶蝕所致。斑點(diǎn)狀、斑塊狀特征指示了水體深度較大，生物種群密度小或生物的活躍度低，海侵體系域上部和高位體系域下部最為發(fā)育；粗支狀、脈絡(luò)狀和迷宮狀指示水體深度較淺，生物種群密度較大，且生物活躍度較高，通常發(fā)育在海平面下降時(shí)期，而厚層狀通常反映了地層暴露溶蝕，主要分布在低位體系域。

圖2 生物擾動(dòng)巖心特征

2.2 潛穴充填物

潛穴充填物包含 4大類：①顆粒組分，與基底同時(shí)期形成，基底呈泥粒結(jié)構(gòu)，砂屑充填物呈顆粒支撐結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3a）。②同生碎屑，指潛穴形成過(guò)程中或廢棄后，潛穴再次充填的沉積物，包括以下幾類：含生物碎屑泥灰?guī)r，與基底類似，潛穴邊界模糊（見(jiàn)圖3b）；粒泥灰?guī)r，與基底區(qū)別明顯，潛穴邊界清晰，生物碎屑以似球粒和底棲有孔蟲(chóng)類為主（見(jiàn)圖3c）；泥粒灰?guī)r，潛穴中生物碎屑發(fā)生溶蝕，形成次生溶孔（見(jiàn)圖3d）；孔隙可被再次充填，生物碎屑包括底棲有孔蟲(chóng)、似球粒、雙殼類和少量棘皮類（見(jiàn)圖3e）；顆?；?guī)r，潛穴呈亮晶支撐結(jié)構(gòu)，生物碎屑被方解石致密充填（見(jiàn)圖3f）。③方解石，成巖作用的產(chǎn)物，可將整個(gè)潛穴致密充填，或在潛穴中部殘留孔隙（見(jiàn)圖3g）。④白云石，成巖作用的產(chǎn)物，根據(jù)白云石的粒徑和晶形可分為 3類：微晶白云石，通常呈離散狀分布于潛穴中（見(jiàn)圖3h）；細(xì)晶—中晶白云石，晶體自形程度較高，可見(jiàn)交代殘留的生物碎屑或灰泥（見(jiàn)圖3i），灰泥或生物碎屑組分可被溶蝕，與未被溶蝕區(qū)域形成明顯對(duì)比（見(jiàn)圖 3j）；半自形鑲嵌狀白云石，白云石呈線狀接觸，晶間孔減少（見(jiàn)圖3k），或白云石完全占據(jù)晶間孔隙（見(jiàn)圖3l）?？傮w而言，只有當(dāng)潛穴中充填了顆粒組分、粗粒同生碎屑和細(xì)晶—中晶自形白云石等，生物擾動(dòng)才對(duì)巖石物性具有建設(shè)性作用。

圖3 生物潛穴中充填物照片

3 生物改造方式

生物通過(guò)倒置、壓縮、混合、挖掘、回填沉積物、再礦化、化學(xué)蝕變等多種方式，改變?cè)汲练e物的組分和結(jié)構(gòu)，一般潛穴充填物比圍巖更加疏松，成巖流體的運(yùn)移更加方便[21-22]。泥質(zhì)碳酸鹽巖中存在離散的、管狀的、粗顆粒填充的潛穴，在淺海和滲流帶中經(jīng)過(guò)溶蝕可形成大孔隙，顯著提高巖層有效滲透率[21]。如M油田 潟 湖相中，未擾動(dòng)巖層的孔隙度平均值為6.0%，滲透率平均值為0.3×10-3μm2，被擾動(dòng)巖層的孔隙度平均值為12.8%，滲透率平均值為3.1×10-3μm2，巖心上生物潛穴含油級(jí)別較高?？傮w上，生物擾動(dòng)改善巖石物性主要通過(guò) 3種方式：①生物機(jī)械改造地層，使巖石結(jié)構(gòu)變得松散，提高巖石的滲流性能；②生物潛穴回填粗粒碎屑，并發(fā)生溶蝕作用；③生物潛穴發(fā)生化學(xué)蝕變、白云石化作用形成晶間孔隙。

3.1 生物機(jī)械改造

生物改造巖屑、礦物顆粒和有機(jī)質(zhì)，從而改變沉積物的原始物理結(jié)構(gòu)[23]。泥質(zhì)沉積物經(jīng)歷弱壓實(shí)后呈現(xiàn)致密狀，孔喉較小，流體難以滲入。生物活動(dòng)破壞了基底的致密結(jié)構(gòu)，潛穴沉積物變得松散，滲透性得到改善，粒間填隙物會(huì)遭受水體沖刷，并逐漸形成粒間孔。潛穴中的充填物與基底是同期沉積的，后期水體物理沖刷使其與基底具有不同的結(jié)構(gòu)。在 A油田Khasib組中，基底為泥質(zhì)生物碎屑砂屑灰?guī)r，呈淺白色致密狀，肉眼難見(jiàn)到孔隙（見(jiàn)圖4a—見(jiàn)圖4c），基底滲透率小于1×10-3μm2，潛穴與基底結(jié)構(gòu)不同，兩者界面明顯（見(jiàn)圖4d），潛穴中結(jié)構(gòu)疏松，顆粒比較潔凈，發(fā)育粒間孔隙，滲透率為（10～100）×10-3μm2（見(jiàn)圖 4e）。

圖4 中東A油田A-12-8井Khasib組2 665.40 m井深鑄體薄片照片及素描示意圖

3.2 生物潛穴回填

潛穴若充填了粗粒碎屑，則與基底具有雙重滲透率，兩者滲透率級(jí)差可達(dá) 8個(gè)數(shù)量級(jí)，潛穴便成為了流體滲透到沉積物的重要途徑[12,14-15,24]。在碳酸鹽沉積物-水界面以下幾厘米范圍內(nèi)，潛穴中可發(fā)生溶解、沉淀及孔隙水化學(xué)性質(zhì)變化[24]。充填物被溶蝕后物性大幅提高，從而增大了與基底的滲透率級(jí)差。但是，潛穴中的孔隙在大氣淡水潛流帶或埋藏成巖環(huán)境會(huì)發(fā)生膠結(jié)充填。如M油田Mishrif組，基底為含生物碎屑泥灰?guī)r（見(jiàn)圖 5a—圖 5c），充填物為亮晶生物碎屑灰?guī)r，生物碎屑包括底棲有孔蟲(chóng)、雙殼類、厚殼蛤碎片、棘皮類和藻類，還含有少量的似球粒（見(jiàn)圖5d），生物碎屑溶蝕后又發(fā)生強(qiáng)烈的膠結(jié)作用，孔隙被再次充填呈致密狀（見(jiàn)圖5e），肉眼難以觀察到孔隙。

圖5 中東M油田M-46井2 937.65 m井深Mishrif組鑄體薄片照片及素描示意圖

3.3 生物潛穴化學(xué)蝕變

潛穴中化學(xué)蝕變通常為白云石化作用，細(xì)粒充填物和生物新陳代謝產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)均可促進(jìn)白云石化作用，細(xì)粒物質(zhì)增加了與白云化流體接觸作用的表面積，并在給定體積內(nèi)提供更多的結(jié)晶核[25]。由于白云石比方解石體積小，等物質(zhì)的量的白云石交代方解石后會(huì)產(chǎn)生大量的晶間孔[26]?；夷嗤煌杆镌谀噘|(zhì)碳酸鹽巖掘穴，溝通海水和基底，成巖作用會(huì)首先改造潛穴，并影響潛穴附近的基底[25,27]。白云石化作用從潛穴向基底發(fā)生，基底中的白云石與潛穴中晶體相似[25]。在M油田白堊系Mishrif組，潛穴是以自形細(xì)晶白云石為主，可見(jiàn)交代后的殘余生物碎屑，晶體比較污濁，粒徑大小為10～50 μm，晶間孔連通性較好（見(jiàn)圖 6a—圖 6c）。潛穴暈為潛穴與基底之間的過(guò)渡區(qū)，寬度可達(dá)1 500 μm，白云石粒徑較小，以基質(zhì)微孔為主。潛穴暈的微孔是由于結(jié)構(gòu)松散，潛穴中流體擴(kuò)溶所致。隨著遠(yuǎn)離潛穴，微孔和白云石的發(fā)育程度逐漸降低至消失（見(jiàn)圖6d）?；诪槟嗷?guī)r，肉眼難以觀察到孔隙，偶含介形蟲(chóng)和底棲有孔蟲(chóng)等生物碎屑（見(jiàn)圖6e）。

圖6 中東M油田M-46井2 868.78 m 深度Mishrif組鑄體薄片照片及素描示意圖

總體來(lái)看，除生物機(jī)械改造外，潛穴被回填和化學(xué)蝕變均與成巖作用密切相關(guān)。潛穴回填后發(fā)生溶蝕作用，而化學(xué)蝕變主要為白云石化作用。在生物擾動(dòng)現(xiàn)象普遍發(fā)育的地層中，可見(jiàn)選擇性溶蝕形成的鑄?？祝ㄒ?jiàn)圖 7a），非選擇性溶蝕形成的溶蝕孔洞（見(jiàn)圖7b），還可見(jiàn)示頂?shù)拙w粉砂（見(jiàn)圖 7c），均指示了暴露淋濾和滲流的成巖環(huán)境[28]。伊拉克南部在白堊紀(jì)構(gòu)造穩(wěn)定，地層中斷裂不甚發(fā)育，埋藏環(huán)境難以發(fā)生大規(guī)模溶蝕，強(qiáng)烈的溶蝕作用主要發(fā)生在早成巖階段。白云石化作用從準(zhǔn)同生期到埋藏期均有發(fā)育，薄片中可見(jiàn)縫合線、粗晶含鐵方解石等埋藏成巖環(huán)境指示標(biāo)志，且縫合線中發(fā)育細(xì)晶白云石（見(jiàn)圖7d），粗晶含鐵方解石將潛穴致密充填（見(jiàn)圖7e），潛穴中粗晶含鐵方解石與白云石共存（見(jiàn)圖7f），均顯示潛穴中主要發(fā)生埋藏白云石化。

圖7 美索不達(dá)米亞盆地白堊系Mishrif組成巖環(huán)境判斷標(biāo)志照片

4 潛穴回填與溶蝕作用

4.1 生物擾動(dòng)與準(zhǔn)同生溶蝕耦合類型

潛穴中富含的有機(jī)質(zhì)氧化產(chǎn)生 CO2與水反應(yīng)形成弱酸性環(huán)境，在早成巖環(huán)境中可促進(jìn)充填物溶蝕，潛穴溶蝕后可進(jìn)一步拓寬，使其具有比基底更高的滲透率[25]。米級(jí)旋回對(duì)沉積作用及早成巖環(huán)境具有重要的影響，為探究早成巖環(huán)境下生物擾動(dòng)與溶蝕作用的耦合關(guān)系，以H油田Mishrif組MB1段為例開(kāi)展研究。MB1段以潟湖為主，根據(jù)巖性變化和組合特征，識(shí)別出50個(gè)米級(jí)旋回，旋回地層厚度為0.35～4.10 m，平均值為2.00 m（見(jiàn)圖8）。根據(jù)溶蝕強(qiáng)度、擾動(dòng)程度及潛穴分布產(chǎn)狀等因素，將生物擾動(dòng)和溶蝕作用耦合關(guān)系劃分為7種類型。

圖8 H油田M316井Mishrif組MB1段生物擾動(dòng)與溶蝕作用關(guān)系

Ⅰ類，整個(gè)旋回均遭受強(qiáng)烈溶蝕，以生物碎屑泥晶灰?guī)r為主，厚度為0.6～2.2 m，平均值為1.34 m，累計(jì)厚度為8.05 m。旋回底部偶含生物碎屑泥晶灰?guī)r，巖心呈深棕褐色，潛穴輪廓模糊（見(jiàn)圖9a）。Ⅰ類耦合關(guān)系主要受海平面 幅 度影響。 潟 湖較低的沉積速率為生物提供了充足的擾動(dòng)時(shí)間，潛穴密度大且互相連通，充填粗粒碎屑后潛穴滲透率顯著提高，海平面大幅下降，地層處于大氣淡水環(huán)境，潛穴發(fā)生強(qiáng)烈溶蝕，規(guī)模不斷擴(kuò)大。

Ⅱ類，整個(gè)旋回發(fā)生弱溶蝕，以生物碎屑泥晶灰?guī)r和含生物碎屑泥晶灰?guī)r為主，厚度為1.12～2.00 m，平均值為1.58 m，累計(jì)厚度為4.75 m。潛穴發(fā)生擴(kuò)溶，規(guī)模擴(kuò)大，但潛穴邊界依舊可以識(shí)別（見(jiàn)圖9b）。Ⅱ類耦合關(guān)系主要受海平面下降幅度影響。生物擾動(dòng)比較充分，潛穴密度較大，海平面下降幅度較小，地層依舊處于海水成巖環(huán)境，溶蝕作用較弱。

Ⅲ類，米級(jí)旋回上段溶蝕強(qiáng)烈，下段弱溶蝕。旋回上段以泥晶生物碎屑灰?guī)r和生物碎屑泥晶灰?guī)r為主，厚度為0.25～1.15 m，平均值為0.73 m，累計(jì)厚度為2.20 m，潛穴邊界不易識(shí)別，下段以生物碎屑泥晶灰?guī)r為主，厚度為0.18～1.00 m，平均值為0.56 m，累計(jì)厚度為1.68 m，潛穴邊界清晰（見(jiàn)圖9c）。Ⅲ類耦合關(guān)系受控于海平面下降幅度和地層厚度。整個(gè)旋回的潛穴連通性較好，海平面下降幅度較小，僅地層頂部遭受大氣淡水淋濾，而旋回底部依舊處于海水成巖環(huán)境，溶蝕作用較弱。地層厚度越大，弱溶蝕帶范圍越大。

Ⅳ類，米級(jí)旋回上段弱溶蝕，下段未溶蝕。弱溶蝕段主要為生物碎屑泥晶灰?guī)r，厚度為0.2～2.3 m，平均值為1.1 m，累計(jì)厚度為3.32 m，潛穴邊界模糊，但依舊可以識(shí)別，未溶蝕段主要為泥晶灰?guī)r，厚度為0.35～1.00 m，平均值為0.62 m，累計(jì)厚度為1.85 m，潛穴保存完整，孤立分布（見(jiàn)圖9d）。Ⅳ類耦合關(guān)系受海平面下降幅度、擾動(dòng)強(qiáng)度和巖石類型控制。地層上部潛穴連通性較好，且顆粒組分含量高于下部，海平面下降的幅度較小，海水成巖環(huán)境中溶蝕作用較弱。地層底部潛穴不連通，溶蝕作用難以發(fā)生。

Ⅴ類，米級(jí)旋回上段溶蝕強(qiáng)烈，下段未溶蝕。Ⅴ類在MB1段最為發(fā)育，溶蝕段厚度為0.25～3.60 m，平均值為1.19 m，累計(jì)厚度達(dá)32.10 m，以生物碎屑泥晶灰?guī)r和泥晶生物碎屑灰?guī)r為主，局部為含生物碎屑泥晶灰?guī)r，生物潛穴不易識(shí)別。未溶蝕段厚度為0.10～2.30 m，平均值為0.56 m，累計(jì)厚度達(dá)15.16 m，以泥晶灰?guī)r為主，局部為含生物碎屑泥晶灰?guī)r，潛穴多為斑點(diǎn)狀或斑塊狀。溶蝕段與未溶蝕段呈突變關(guān)系，兩者界限明顯（見(jiàn)圖 9e）。該類型主要受控于海平面下降幅度、巖石類型和生物擾動(dòng)強(qiáng)度。旋回上部顆粒組分含量較高，大氣淡水環(huán)境下可發(fā)生強(qiáng)烈溶蝕，旋回底部潛穴連通性較差，且?guī)r石泥質(zhì)組分含量較高，成巖流體無(wú)法滲入，未遭受溶蝕。

Ⅵ類，米級(jí)旋回上段溶蝕強(qiáng)烈，厚度為1.4 m，下段未擾動(dòng)，厚度為0.4 m，巖心上米級(jí)旋回自頂向底溶蝕強(qiáng)度減弱，未擾動(dòng)帶以泥晶灰?guī)r為主，巖心呈白色致密狀（見(jiàn)圖 9f）。Ⅵ類耦合關(guān)系主要受水體深度影響，層序早期水體深度大，不利于底棲生物生存，地層未發(fā)生改造，旋回上部水體變淺，顆粒組分含量增多且潛穴發(fā)育，海平面下降發(fā)生溶蝕作用。

Ⅶ類，米級(jí)旋回地層上段溶蝕強(qiáng)烈，中間發(fā)育過(guò)渡帶，下段未溶蝕。強(qiáng)烈溶蝕段厚度為0.30～2.00 m，平均值為0.88 m，累計(jì)厚度為6.13 m，以生物碎屑泥晶灰?guī)r為主，局部為含生物碎屑泥晶灰?guī)r，生物潛穴不易識(shí)別。過(guò)渡帶厚度為0.35～0.95 m，平均值為0.54 m，累計(jì)厚度為3.78 m，主要為生物碎屑泥晶灰?guī)r，底部潛穴邊界易于識(shí)別，隨著溶蝕強(qiáng)度的增加，頂部潛穴邊界逐漸模糊。未溶蝕段厚度為0.45～0.90 m，平均值為0.64 m，累計(jì)厚度為4.50 m，主要為泥晶灰?guī)r，潛穴呈斑點(diǎn)狀或斑塊狀（見(jiàn)圖9g）。Ⅶ類耦合關(guān)系受海平面下降程度、潛穴連通程度及巖石類型控制。強(qiáng)烈溶蝕帶顆粒組分含量高，潛穴連通性好，大氣淡水環(huán)境下溶蝕強(qiáng)烈，過(guò)渡帶處于海水成巖環(huán)境，潛穴連通性較好，但溶蝕作用較弱，旋回下部潛穴不連通，且泥質(zhì)組分含量較高，難以發(fā)生溶蝕。

4.2 生物擾動(dòng)與準(zhǔn)同生溶蝕耦合序列

基于以上研究，建立了生物擾動(dòng)與溶蝕作用耦合序列（見(jiàn)圖10），米級(jí)旋回自上而下發(fā)育溶蝕帶、弱溶蝕帶、過(guò)渡帶、未溶蝕帶和未擾動(dòng)帶，單期旋回可發(fā)育一個(gè)或多個(gè)帶。溶蝕帶厚度為 0.25～3.60 m，平均為1.17 m，通常位于米級(jí)旋回的頂部，顆粒含量較高，滲流性質(zhì)較好，海平面下降幅度決定了其是否處于大氣淡水環(huán)境，連通的潛穴回填粗粒碎屑促進(jìn)溶蝕作用。弱溶蝕帶厚度為0.18～2.30 m，平均值為0.97 m，巖石類型與溶蝕帶類似，潛穴連通程度較高，流體溶蝕能力較弱，形成弱溶蝕帶，海平面下降幅度是其主控因素，地層通常處于海水成巖環(huán)境。過(guò)渡帶厚度為0.35～0.95 m，平均值為0.54 m，主要為生物碎屑泥晶灰?guī)r，位于米級(jí)旋回中部，上部通常發(fā)育溶蝕帶，過(guò)渡帶的發(fā)育受海平面下降幅度和潛穴連通程度控制，過(guò)渡帶通常處于海水成巖環(huán)境，上部溶蝕帶富 Ca2+流體向下運(yùn)移，流體的溶蝕能力較弱，雖然潛穴連通性好，但溶蝕作用不明顯。未溶蝕帶厚度為0.10～2.30 m，平均值為0.54 m，主要發(fā)育于米級(jí)旋回底部，受巖石類型和潛穴連通程度控制，未溶蝕帶以泥晶灰?guī)r為主，滲透性較低，潛穴通常為孤立的斑點(diǎn)狀或斑塊狀，成巖流體難以滲入。未擾動(dòng)帶受巖石類型和水體環(huán)境控制，水體較深，以泥晶灰?guī)r為主，且水體環(huán)境不利于底棲生物生存，地層未被生物潛穴改造，巖石保留了其原始致密結(jié)構(gòu)。

圖10 米級(jí)旋回控制下生物擾動(dòng)與溶蝕作用耦合改造序列

綜上所述，生物擾動(dòng)與溶蝕作用的耦合關(guān)系主要受巖石類型、海平面下降幅度、潛穴密度、充填物和水體環(huán)境控制。巖石顆粒組分含量越高，溶蝕作用對(duì)生物擾動(dòng)的依賴性越低，潛穴僅促進(jìn)了巖石的溶蝕作用。米級(jí)旋回頂部沉積速率高，生物擾動(dòng)不充分，而在旋回底部巖石泥質(zhì)含量較高，潛穴密度和連通性較高。只有地層處于大氣淡水環(huán)境，溶蝕作用才強(qiáng)烈。潛穴密度和充填物決定了生物擾動(dòng)是否有效性，只有潛穴互相連通且充填粗粒碎屑，潛穴才能作為成巖流體的運(yùn)移通道，而水體環(huán)境控制了生物的種群密度和活動(dòng)范圍。

5 潛穴化學(xué)蝕變與白云石化作用

5.1 潛穴有利于白云石化作用

潛穴為白云石化流體提供了運(yùn)移通道，白云石化作用通常沿著潛穴軌跡發(fā)生[29]。潛穴中具備有利于發(fā)生白云石化的物質(zhì)條件、氧化還原條件、酸堿環(huán)境。

①物質(zhì)條件。潛穴中白云石化對(duì)Mg2+離子的需求量巨大，唯一能夠提供大量鎂離子來(lái)源的依然為海水[30-31]。海洋水中的鎂及有機(jī)質(zhì)中的金屬導(dǎo)致潛穴中陽(yáng)離子富集，有助于白云石化[32]。裂縫或縫合線等連通潛穴與其他成巖系統(tǒng)，提供外來(lái)的Mg2+離子。除此之外，潛穴中硫酸鹽還原菌將Mg2+離子從MgSO4中釋放出來(lái)，提高了游離的Mg2+離子含量[33-34]。當(dāng)潛穴處于地表氧化帶時(shí)，有機(jī)質(zhì)氧化產(chǎn)生大量CO2，CO2發(fā)生水合作用形成H2CO3，脫質(zhì)子反應(yīng)可形成CO32-離子，有機(jī)碳被細(xì)菌礦化和pH值增加也有助于形成CO32-離子[34]。

②氧化還原條件。在氧化環(huán)境中，SO42-根離子綁定Mg2+離子，降低了Mg2+離子含量，抑制了白云石的沉淀[25]。白云石化傾向于在還原環(huán)境中發(fā)育，潛穴會(huì)形成還原性的微環(huán)境[25]?，F(xiàn)代環(huán)境中，硫酸鹽還原細(xì)菌在近地表溫度下早期白云石沉淀中起著不可或缺的作用[34]，有機(jī)質(zhì)的存在會(huì)產(chǎn)生硫酸鹽還原細(xì)菌。潛穴中硫化物濃度升高[35]，硫酸鹽還原發(fā)生在潛穴內(nèi)或周緣[34]。

③酸堿環(huán)境。白云石化必要的地球化學(xué)條件包括去除 SO42-離子、提高 pH值、增加 CO32-離子、二價(jià)陽(yáng)離子富集和化學(xué)擴(kuò)散梯度，而潛穴的微環(huán)境恰好符合[36]。早成巖環(huán)境中，pH值的升高和 SO42-離子的降低是白云石沉淀的主要原因[32]。潛穴中富含的NH3與水反應(yīng)形成堿性環(huán)境，高pH值可提高HCO3-離子的活性，促進(jìn)白云石的沉淀[25]。值得注意的是，有機(jī)碳的氧化（或礦化）也可導(dǎo)致潛穴堿性增加，pH值可以提高 2～5[34]。

5.2 潛穴白云石化演化模式

潛穴中白云石晶體形態(tài)多樣，白云石化作用具有連續(xù)和多階段特征[37]。綜合考慮沉積過(guò)程、氧化還原條件及成巖環(huán)境等建立了潛穴白云石化模式。適宜的溫度、壓力條件，充足的作用時(shí)間、適量的白云石化流體供應(yīng)及溶蝕作用有利于潛穴發(fā)育晶間孔隙[38]。

生物通常生存在有氧至輕度缺氧的環(huán)境中，在較深的缺氧海水中，海水能量、食物供給、水文和基底特征適宜的條件下也會(huì)發(fā)育[39]。潛穴開(kāi)口處有機(jī)物氧化不利于白云石化。潛穴深處的有機(jī)質(zhì)粒度較細(xì)，滲透性較差，流體對(duì)其改造較弱而得以保存（見(jiàn)圖11a）。

圖11 潛穴中白云石化作用演化模式圖

潛穴上部有機(jī)質(zhì)分解后回填同生粗粒碎屑，滲透性改善。海水向潛穴提供大量Mg2+離子，還原環(huán)境中，微生物發(fā)酵產(chǎn)生的還原細(xì)菌促進(jìn)白云石化作用，生物沉淀物可充當(dāng)結(jié)晶核[25,36]，形成微晶白云石（見(jiàn)圖11b），由于白云石化的反應(yīng)時(shí)間較短，白云石的粒徑較小，晶體自形程度較低，離散分布于潛穴泥晶中。

隨著沉積作用的持續(xù)，潛穴逐漸脫離沉積界面，處于封閉的淺埋藏環(huán)境，潛穴向還原環(huán)境過(guò)渡，海水中殘留的大量Mg2+離子供白云石化作用持續(xù)進(jìn)行，微晶白云石含量不斷增加（見(jiàn)圖11c）。

隨著埋藏深度的增加，潛穴處于還原環(huán)境，壓實(shí)作用造成潛穴體積減小，地層溫度和壓力升高有利于白云石化作用。由于反應(yīng)時(shí)間比較充分，晶體自形程度較高，以細(xì)晶白云石為主，晶體粒徑為100～200 μm。鄰近潛穴的基底中也會(huì)有少量的白云石析出，形成潛穴暈，潛穴暈的白云石粒徑和含量均低于潛穴。該階段潛穴處于封閉的成巖體系，白云石化所需要的Mg2+依舊是早期殘留的海水。白云石等交代泥晶方解石，殘留的不飽和流體會(huì)溶蝕泥晶基質(zhì)，形成晶間溶孔。沉積界面處又將形成新的潛穴，經(jīng)歷相似的演化過(guò)程（見(jiàn)圖11d）。

埋藏環(huán)境中地層可形成裂縫，裂縫可連通外來(lái)流體，使?jié)撗ㄌ幱陂_(kāi)放的成巖系統(tǒng)，不飽和流體會(huì)溶蝕殘留的泥質(zhì)組分[26]（見(jiàn)圖11e）。若溶蝕作用比較強(qiáng)烈，潛穴邊界、圍巖及裂縫均會(huì)發(fā)生擴(kuò)溶[26]。

若白云石化所需要的物質(zhì)持續(xù)供給，灰質(zhì)成分被完全交代后，發(fā)生過(guò)白云石化。只要形成的白云石間有一定的滲透率，且有Mg2+供應(yīng)，就會(huì)發(fā)生新的白云石化[26]，Mg2+來(lái)源于混合地下水和早期的白云石[25]。白云石充填早期形成的晶間孔和晶間溶孔，由于生長(zhǎng)空間不斷減小，晶體逐漸由自形—半自形、點(diǎn)線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)樗?、凹凸接觸[27]，晶體粒徑為 120～250 μm（見(jiàn)圖11f）。

6 生物改造巖石物性的主控因素

6.1 巖石類型

泥質(zhì)碳酸鹽巖顆粒組分含量越高，原始物性越好，成巖改造越容易[40-41]，對(duì)生物擾動(dòng)的依賴性越低。巖石類型主要受沉積環(huán)境控制，海平面下降過(guò)程中，沉積水動(dòng)力不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致米級(jí)旋回的頂部顆粒組分含量較高，且易暴露于大氣淡水環(huán)境發(fā)生溶蝕。隨著旋回頂部沉積速率的增加，生物擾動(dòng)程度也會(huì)降低。

6.2 潛穴密度和連通性

生物對(duì)泥質(zhì)碳酸鹽巖的改造受潛穴密度、潛穴連通性、充填物、潛穴結(jié)構(gòu)等因素控制[12,16]。沉積速率控制了生物的擾動(dòng)強(qiáng)度，緩慢的沉積速率是形成連通潛穴的必要條件。單一生物同一時(shí)期對(duì)沉積物的擾動(dòng)深度有限，厚層快速沉積一般比慢速沉積所含遺跡化石數(shù)量少，薄層沉積物中生物擾動(dòng)比厚層沉積物相對(duì)要強(qiáng)，厚層的頂部幾厘米內(nèi)被廣泛地改造，而在巖層底部?jī)H稍被改動(dòng)[5]。對(duì)M油田生物擾動(dòng)樣品統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：Ⅰ級(jí)斑狀擾動(dòng)幾乎對(duì)巖石物性無(wú)影響，隨著擾動(dòng)程度增強(qiáng)，儲(chǔ)集層微觀孔喉、物性和含油性越好，Ⅳ級(jí)厚層狀擾動(dòng)對(duì)巖石物性的改造最顯著。此外，隨著擾動(dòng)程度的增強(qiáng)，細(xì)晶白云石的發(fā)育比例增高，溶蝕作用也容易發(fā)生（見(jiàn)表 1）。潛穴密度對(duì)于垂直滲透率具有重要影響，當(dāng)潛穴密度達(dá) 50%時(shí)，垂直滲透率將會(huì)顯著增加[15]。潛穴密度越大，可供流體流動(dòng)的介質(zhì)數(shù)量越多，越容易形成連續(xù)流動(dòng)路徑，越有利于成巖改造。

表1 M油田與生物擾動(dòng)相關(guān)的儲(chǔ)集層特征參數(shù)

6.3 充填物

當(dāng)潛穴中充填粗粒碎屑和細(xì)晶白云石后，潛穴物性會(huì)優(yōu)于基底，再疊加溶蝕作用，泥質(zhì)碳酸鹽巖的物性會(huì)大幅提高，這里不再贅述。廢棄的潛穴被充填后，其物性可能會(huì)與基底類似甚至差于基底。如灰泥可堵塞潛穴，使巖石整體物性變差[13-14,27]；鑲嵌狀方解石占據(jù)孔隙，限制流體的運(yùn)移，導(dǎo)致生物擾動(dòng)強(qiáng)度和巖石物性呈負(fù)相關(guān)[14,42]。除此之外，微晶白云石對(duì)潛穴物性影響較小，過(guò)白云石化及重結(jié)晶作用造成白云石堵塞孔隙和喉道，降低潛穴滲透率[26]。

6.4 潛穴結(jié)構(gòu)

生物潛穴與圍巖具有不同的迂曲度和分形特征，迂曲度是影響多孔介質(zhì)有效流動(dòng)和傳輸特征的重要參數(shù)之一[43]。盡管生物擾動(dòng)在米級(jí)別上相對(duì)均質(zhì)，但在分米級(jí)別上的非均質(zhì)對(duì)流體性質(zhì)和采收率具有重要影響[44]。潛穴或鉆孔等遺跡分布規(guī)律性較弱，且空間變化頻繁，如晴天環(huán)境下，生物種類多樣且多以覓食為主，層狀構(gòu)造發(fā)育明顯，分布廣泛，濱岸帶生物遺跡較少且以居住型生物為主，風(fēng)暴作用會(huì)限制生物種類的多樣性[34]。同種生物具有不同的活動(dòng)軌跡、不同生物具有不同的潛穴樣式和習(xí)性、不同生物的潛穴互相疊加等因素，造成潛穴具有復(fù)雜的迂曲度和滲流特征。通常情況下，生物種類越多，潛穴迂曲度越大，流體滲流阻力會(huì)越大，潛穴的滲流性質(zhì)越差。

7 結(jié)論

生物通過(guò)機(jī)械改造、潛穴回填粗粒碎屑和化學(xué)蝕變 3種方式改造泥質(zhì)碳酸鹽巖，改造作用強(qiáng)度受巖石類型、潛穴密度和連通性、充填物和潛穴結(jié)構(gòu)等因素控制。沉積速率越低，生物擾動(dòng)越充分，潛穴密度和連通性越高。潛穴充填顆粒組分且迂曲度越小，流體的滲流阻力越小，越有利于改善泥質(zhì)碳酸鹽巖物性。

準(zhǔn)同生期，生物擾動(dòng)與溶蝕作用耦合改造巖石物性，改造作用強(qiáng)度受巖石類型、海平面下降幅度、潛穴密度、充填物和水體環(huán)境控制。隨著顆粒組分含量的升高，溶蝕作用對(duì)生物擾動(dòng)的依賴性降低。米級(jí)旋回地層中，不同帶垂向上交替發(fā)育，盡管溶蝕帶和弱溶蝕帶的物性最好、含油性較高、累計(jì)厚度較大，但單層厚度較薄，非均質(zhì)性較強(qiáng)，開(kāi)發(fā)難度較大。

埋藏期，生物擾動(dòng)主要與白云石化作用耦合改造巖石物性，只有封閉環(huán)境下發(fā)生充分的等物質(zhì)的量交代，潛穴中才會(huì)發(fā)育晶間孔。但白云石化改造巖石物性的能力有限，且封閉的埋藏環(huán)境難以發(fā)生大規(guī)模溶蝕，而開(kāi)放的埋藏環(huán)境通常會(huì)發(fā)生過(guò)白云石化作用，破壞早期形成的孔隙；因此，白云石化作用對(duì)泥質(zhì)碳酸鹽巖的影響有限，難以形成規(guī)模儲(chǔ)集層。